无机非金属材料工学(陶瓷)

第三篇陶瓷工艺学第一章引言一、概念和分类•1．概念：广义无机非金属固体材料制品的统称。•狭义固体原料经成型、煅烧而制成的制品。•普通陶瓷（传统陶瓷）：以粘土及其它天然矿物（长石、石英等）为原料经粉碎、成型、焙烧等工艺过程而制得的制品。2．分类：•陶瓷按用途分为：传统陶瓷（普通陶瓷）和新型陶瓷（特种陶瓷、精密陶瓷），而传统陶瓷又分为日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化学陶瓷、化工陶瓷等；新型陶瓷又分为结构陶瓷（机械和热性能为主）和功能陶瓷（电、磁、光、生化、核能等）。2．分类：•陶瓷按性能分为：拓器、陶器和瓷器。性能见P213表3-1-2和3-1-3。•陶瓷按成分分为：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅酸盐陶瓷、钛酸盐陶瓷、磷酸盐陶瓷、金属陶瓷等。•特种陶瓷的性能及用途，见教材P213表3-3-1。表3-3-1特种陶瓷的性能及用途性能材料应用高绝缘性介电性导电性压电性热释电性软磁性硬磁性半导体性离子导电性电子发射性荧光性透光性偏光性光反射性红外反射性红外透射性光导性生物化学功能研磨性切削性强度功能润滑功能耐热性绝热性导热性核功能性Ai2O3、BeO、C（人造金刚石）BaTiO3SiC、MoSi2P（Zr，Ti）O3（定向薄膜）SiO2（单晶薄片）P（Zr，Ti）O3（Zn，Mn，Fe）2O4；γ-Fe3O4SrO·6Fe2O3SnO2过度金属氧化物ZnO-Bi2O3BaTiO3β-Ai2O3稳定性ZrO2LaB6Y2O3，S：EuAi2O3、SnO2（涂布膜）PLZTTiNSnO2（涂膜）ZnS、MgOSiO2（高纯纤维）Ai2O3、Ca5（F，Cl）P3O12SiO2（孔径控制多孔体）Ai2O3、B4C、人造金刚石（粉体）C-BN、TiC、WC、TiCSi3N4、SiCC、MoSi2、h-BNAi2O3、ThO2K2O·nTiO2，CaO·SiO2Be、C、SiCUO2C（石墨）、BeOB4C基板电容器发热器震荡元件、点火元件、压电变换器时钟震荡元件红外线检测元件磁带磁铁、可塑性磁铁气体传感器热敏电阻电压性稳定元件，非线形电阻自控电阻发热元件NaS电池氧敏感元件电子枪用热阴极荧光体高压钠灯、防雾玻璃偏光学元件太阳能聚光器省能源窗玻璃导弹光导纤维人工骨、齿固定化酵素载体研磨材料切削工具发动机材料润滑剂耐热结构材料绝缘材料基板核燃料减速剂控制棒材料二、我国陶瓷工业的发展概况•China，瓷器，世界供认是我国最早发明。8000年前，生产陶器；3000年前，生产瓷器（上釉），我国最早东汉时期陶瓷普及，唐三彩世界文明。景德镇陶瓷从古至今享誉很好，但建筑陶瓷在我国发展相对落后。第一章普通陶瓷原料及作用第一节粘土一、粘土定义•具有可塑性且粒度小于几微米的矿物。或粒度小于几微米的层状硅酸盐矿物。二、粘土的分类•高岭土、膨润土、伊利石、叶腊石、铝矾土等。三、粘土组成•化学组成：SiO2、Al2O3为主，少量其它氧化物（K2O、Na2O、Fe2O3、MgO、CaO等）•矿物组成：高岭石、蒙脱石、伊利石等。含少量长石、石英等碎屑矿物。•颗粒组成：碎屑颗粒一般较大，粘土颗粒一般较小，小于2微米的颗粒多为粘土矿物。四、粘土的工艺性质•1．可塑性和结合性（粘结剂）；•2．离子交换性（脱色、过滤、填料等）；•3．触变性，即泥料放置一段时间后，在维持原有水分的情况下会出现变稠和固化现象；•4．膨化性，即吸水膨胀性；•5．收缩性，干燥收缩和焙烧收缩；•6．烧结温度与烧结范围五、陶瓷中粘土的作用•粘土在陶瓷中起粘结作用。第二节石英一、种类和性质•1．种类：脉石英、石英砂岩、石英岩（变质）、石英砂；•2．性质：以SiO2为主，其他杂质很少。二、石英的相变三、石英的作用•1．加快干燥；•2．减小坯体变形；•3．增加机械强度；•4．提高耐磨、抗腐性。第三节长石一、种类•钾长石、斜长石二、作用•1．助溶；•2．提高机械强度和化学稳定性•3．提高透光度。三、代用原料•花岗伟晶岩、霞石正长岩、透辉石、硅绘事等。•第四节其它原料一、碳酸盐•方解石、白云石、菱镁矿。高温下起溶剂作用。二、滑石•釉料和滑石质陶瓷三、硅灰石•助溶作用四、透辉石和透闪石•助溶作用第三章普通陶瓷的配料和计算第一节配料依据•1．弄清各原料在陶瓷中的作用；•2．坯料和釉料组成满足产品的物化性质；包括：收缩率、吸水率、热震性、平整性、光滑性和抗腐性等。•3．配方应满足生产工艺设备条件；温度、压力、气氛等。•4．经济、合理；•5．借鉴成熟的配方。第二节坯、釉料表示方法•一、实际配料比表示•根据实际原料的种类和比例来表示。•二、矿物组成表示•根据各种原料的化学组成换算成长石、石英、黏土的比例。•三、化学组成表示•以各种氧化物的质量百分比来表示。•四、实验公式（塞格尔式）表示四、实验公式（塞格尔式）表示•以碱性、中性、酸性氧化物的顺序列出。坯式是以中性氧化物（R2O3）的mol数为1，计算其它化合物的摩尔数。釉式则是以碱性氧化物（R2O+RO）的mol数为1，计算其它化合物的摩尔数。•如：坯式表示•0.3105K2O•0.1405Na2O0.9931Al2O35.354SiO2•0.0297CaO0.0072Fe2O30.0259TiO2•0.0192MgO•釉式表示•0.088K2O•0.065Na2O2.401Al2O312.946SiO2•0.195CaO0.032Fe2O30.0667TiO2•0.652MgO•陶瓷的酸性指数：CA=RO2/（R2O+RO+3R2O3）•硬瓷釉的CA一般为1.8～2.5,而软瓷釉的CA一般为1.4～1.6•CA大瓷脆，高温时易变形，但烧成温度低。第三节坯料的配方计算一、坯式的计算•1．已知坯料的化学组成计算坯式•（1）将各氧化物的百分含量换算成mol数；•（2）以中性氧化物的摩尔数为1计算其它各氧化物的相对含量；•（3）安碱性、中性、酸性氧化物的顺序列出坯式。•例：已知某陶瓷坯料的化学组成为(%)•SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O灼减合计•67.0821.120.230.430.350.165.921.352.4499.08•其坯式计算结果为：•0.3105K2O•0.1405Na2O0.9931Al2O35.354SiO2•0.0297CaO0.0072Fe2O30.0259TiO2•0.0192MgO•注：灼减对实验式没有影响。•2．已知坯式求坯料的化学组成•该计算为坯式的逆向计算。二、示性矿物的计算•（1）以Na2O的含量计算钠长石（Ab：Na2O·Al2O3·6SiO2）•以K2O的含量计算钾长石（Or：K2O·Al2O3·6SiO2）•以CaO的含量计算钙长石（An：CaO·Al2O3·2SiO2）二、示性矿物的计算•（2）以Al2O3的含量总量减去长石中的Al2O3的含量，剩余的Al2O3计算高岭石（Kao：Al2O3·2SiO2·2H2O）或蒙脱石（Mt：CaO·Al2O3·4SiO2·nH2O）伊利石（I：K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O）。二、示性矿物的计算•（3）以MgO计算菱镁矿（MgCO3）或滑石（3MgO·4SiO2·H2O）。•（4）以Fe2O3计算赤铁矿（Fe2O3），多为黏土带入。•（5）以TiO2计算金红石（TiO2），多为黏土带入。•（6）剩余的SiO2为石英。三、根据矿物组成计算配方•主要是要考虑黏土中的长石、石英。计算黏土含量时应扣除其中的长石、石英，而计算长石、石英时应考虑黏土已经存在的量。四、由化学组成计算配方•根据陶瓷的化学组成，计算其示性矿物，然后计算配方，过程同前。五、用三元系统法计算配方•已知坯料和原料的化学组成，利用联立方程组的方法或相图的方法计算。图3-1计算坯料组成的三成分图六、由坯式计算配方•可直接用摩尔数计算其示性矿物，然后计算配方。•例：表3-1陶瓷中各氧化物的摩尔数氧化物/molSiO20.987Al2O30.291Fe2O30.001CaO0.005KNaO0.006H2O0.5600.006molOr剩余0.0360.9510.0060.285---0.001---0.0050.0060---0.560.005molAn剩余0.280molKao剩余0.001molFe0剩余0.381molQ剩余0.0100.9410.5600.381---0.3810.38100.0050.2800.2800---------------0.001----0.0010.0010------0.0050---------------------------------------------0.560.560------------表3-2各矿物的质量分数和百分数矿物摩尔数相对化学式量质量分数质量百分数钾长石钠长石钙长石高岭石赤铁矿滑石石英合计0.006----0.0050.2800.001-----0.381556.8540.0279.3258.1160.0378.060.063.341----1.39272.2680.16----22.883100.433.34----1.3972.240.16----22.87100.00•所以陶瓷坯料的配方应为长石：石英：高岭石=4.73：22.87：72.40•若已知坯料所用黏土的矿物组成为：黏土矿物90%，石英5%，长石5%。则首先计算黏土的用量为72.4÷90%=80.45•黏土中带入的石英为80.45×5%=4.023•黏土中带入的长石为80.45×5%=4.023•需要补充的石英为22.87-4.023=18.85•需要补充的长石为4.730-4.023=0.707•所以实际原料配比应为长石：石英：高岭石=0.707：18.85：80.45第四章坯料及制备第一节坯料种类和质量要求一、坯料的种类•1．注塑料，含水率28-35%；•2．可塑料，含水率18-25%；•3．压制料，含水率7-15%；二、坯料的质量要求•1．配方准确；•2．混合均匀；•3．粒度符合工艺要求；•4．含较少气体；•5．干坯强度大（可塑料）；•6．悬浮性和流动性好（注浆料）；•7．自由堆积密度尽量大（压制料）。•第二节可塑料的制备一、质量要求•1．可塑性，黏土含量越高，塑性越大；（工艺瓷）•2．细度，粒径小于60微米；•3．水分：18-25%；•4．空气含量：小于1；•5．干坯强度：抗折强度大于0.98Mpa.二、制备•粗碎→细碎→混合球磨（干法、湿法）→除铁（磁选）→练泥（粗练、真空练）→可塑泥料•各种原料分别粉碎然后混合，具体如图4～1。三、工艺要点•1．原料的预处理和精选；（石英预烧、清洗等，注意：书P245，β-石英是错误的）•2．原料的粉碎；•3．泥浆的筛分、除铁、搅拌；•4．泥浆的脱水；•5．陈腐，即将泥料在一定温度、湿度的环境下储存一定时间，使泥料中的水分分布更加均匀，黏土颗粒充分水化和产生离子交换，细菌使有机物分解为腐殖酸，从而提高泥料的可塑性；•6．练泥：分为粗练和真空练泥。第三节注浆料的制备一、质量要求•1．流动性，保证泥浆能注满整个模型；•2．细度，粒径小于60微米；•3．水分：18-25%；•4．触变性：用稠化度表示，稠化度是指100ml泥浆在恩氏粘度计中静置30min后，流出时间与静置30s后流出时间的比值。一般陶瓷：1.8～2.2,精细陶瓷：1.5～1.6。•5．悬浮性：保证成型过程中不易分层。二、制备•注浆料的制备与可塑料基本相似，只是多了稀释的过程。三、泥浆的稀释•根据泥浆的成分，选择添加电解质。由于黏土一般带负电，所以选择Na+电解质使电位平衡。一般SiO2/Na2O=3左右。另外，应控制PH值。•Na+电解质可分为三类：即无机钠盐（硫酸钠、碳酸钠、磷酸钠等）、有机钠盐（腐殖酸、柠檬酸等）和聚合物（树胶、明胶等）。第四节压制料的制备一、工艺要求•1．水分：干压3～6%，半干压7～14%；•2．粒度：小于65微米；•3．流动性：造粒以增加流动性；•4．自由堆积密度：尽量大。二、制备•其它过程与前两者一样。只是需要造